Smart Home / Smart Grid - Intelligente Energieverteilung

an der Schule: Berufliche Schule des Kreises NF in Niebüll

Projektinfos

Der Ausstieg aus der Kernkraftnutzung und die Katastrophe in Fukushima waren Anlass, den Umbau unserer Energieversorgung zu beschleunigen. Deutschland steht vor einer großen energiepolitischen Herausforderung, um die politisch gesteckten Ziele der Energiewende zu erreichen.

In einem Zeitraum von 10 Jahren gilt es, eine nachhaltige Energieversorgung zu realisieren. Erneuerbare Energien wie Windenergie, Wasserkraft, Energie aus Biomasse, Sonnenenergie, Geothermie und Meeresenergie sollen nicht nur Kernbrennstoffe ersetzen, sondern auch die fossilen Energieträger wie Kohle, Öl und Gas.

Intelligente Energiesysteme, auch Smart-Grids genannt, sind mithilfe von Informations- und Kommunikationstechnologien in der Lage, die Energiezufuhr Tausender dezentraler Quellen wie Solar-, Kleinwindkraft-, Mikro-KWK-Anlagen und Elektrofahrzeuge bedarfsgerecht zu steuern. Parallel zum Stromnetz entsteht ein Datennetz, das die Erzeugung, Verteilung und Speicherung von Energie koordiniert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Nachfrage dem Angebot anzupassen. Bei der Stromerzeugung aus regenerativen Quellen ergeben die naturabhängigen Schwankungen (Fluktuation) und die nutzerabhängige Stromabnahme, große Probleme für die Netzstabilität. Intelligente Energiesysteme (Smart-Grids) werden für eine Kommunikation der Erzeugungsanlagen mit den Einrichtungen der Stromnetze, wie z. B. den Endgeräten im Haushalt, sorgen, um somit die Stromnetze zu entlasten.

Aber auch die Haushalte werden „intelligent“. Im Smart Home der Zukunft werden Heizungsanlagen, Beleuchtung, Belüftungsanlagen und Haushaltsgeräte wie z. B. Kühlschrank und Waschmaschine miteinander vernetzt sein. Dadurch ist es möglich, die Geräte und Anlagen abhängig von z. B. den Bedürfnissen der Nutzer, der Außentemperatur oder dem Angebot preiswerter Energie optimal zu betreiben.

Herzstück von Smart-Home sind die intelligenten Energiezähler, so genannte Smart-Meter, die alle relevanten Daten über Energie- und/oder Gasverbrauch in Echtzeit übertragen. Sie dienen als Datenschnittstelle zwischen privatem Haushalt, Netzbetreiber und Energielieferant. Durch sie ist auch eine Fernsteuerung der Verbraucher möglich. Doch hier steht die Entwicklung für praktische Lösungen noch am Anfang.

Der Kreises Nordfriesland hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2020 der „Klimafreundlichste Kreis Deutschlands“ zu werden und damit eine Vorbildfunktion zu übernehmen. Eine dieser Maßnahme ist die CO2-freie Energieversorgung im häuslichen Bereich mit Unterstützung von Smart-Home. Das Netzwerk eE4Home dient der Bündelung der Fachkenntnisse und der Erfahrungen, um die intelligente Energieverteilung in die Praxis umsetzen zu können.

Vor diesem Hintergrund erfolgt eine Sensibilisierung der Verbraucher in Nordfriesland für das Potential von Smart-Home. So könnten beispielweise Elektrofahrzeuge dann geladen werden, wenn gerade ein Überangebot erneuerbarer Energien zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird zurzeit ein Produkt für Eigenversorger (z. B. durch Kleinwindanlagen und Solaranlagen) entwickelt, das sowohl das Monitoring als auch das effiziente Management von Energieerzeugern und Verbrauchern ermöglicht. Zusätzlich wird im Zuge der Breitbandinstallation eine Datenkommunikation zwischen Erzeugern, Versorgern und Verbrauchern aufgebaut, um so die dezentralen Erzeugungsanlagen als Smart-Grid zusammen zu fassen. Mit diesem virtuellen Kraftwerk könnte die Energie zukünftig ökologisch nachhaltig genutzt werden. Die dezentrale CO2-freie Energieversorgung mit Unterstützung von Smart-Home ist der Schwerpunkt dieser Projektarbeit. Für die Umsetzung werden nicht nur die technischen und ökologischen Inhalte, sondern auch wirtschaftliche- und ausbildungsrelevante Aspekte betrachtet.

Das Projekt Smart–Home wird in 4 Phasen (Informationsbeschaffung und Planung, Bau einer Modellanlage, Installation von Musterhäusern, Auswertung der Ergebnisse) unterteilt, um mit einzelnen Schritten, die aufeinander aufbauen, ein optimales Ergebnis zu erreichen. Da es sich um ein komplexes Projekt handelt, muss in der 1. Phase eine sehr intensive Informationsbeschaffung erfolgen. Dies gilt gleichermaßen für Lehrer, Schüler und Netzwerkpartner. Mit Schulungen durch z. B. einen Energieberater wird auf professionelle Fachkompetenz zurückgegriffen.

Ein weiterer Schritt ist die genaue Begriffsdefinierung von z. B. Smart-Metering, Smart-Home und Smart-Grid, damit die Netzwerkpartner die Fachsprache gleichermaßen interpretieren. Zur praktischen Umsetzung und Konkretisierung der Projektaufgabe, erstellen alle Partner gemeinsam ein Lastenheft, woraus die Schüler dann ein Pflichtenheft erarbeiten.

Mit diesen Arbeitstechniken wird schon in der Planungsphase detailliert beschrieben, wie das Endprodukt aussehen soll. Alle Netzwerkpartner können aufgrund ihrer Erfahrungen schon frühzeitig auftretende Probleme erkennen und entsprechende Lösungen einbringen.

Um die Machbarkeit eines Projektes zu überprüfen, ist es sinnvoll, die Vorgaben aus dem Pflichtenheft an einem Modell zu überprüfen. Dadurch ist es möglich Planungsfehler frühzeitig zu erkennen. Die Auswahl der Steuerungstechnik für die Modellanlage ist das Kernproblem für die Smart-Home Anwendungen. Viele Hersteller bieten Komplettsysteme (z. B. von RWE) an, die sich aber selten an die Wünsche der Kunden in Bezug auf Eigenstromverbrauch orientieren. Um dem Kunden gerecht zu werden, werden häufig Komponenten von unterschiedlichen Herstellern (heterogene Systeme), die untereinander keine Informationen austauschen können, verwendet.

Einen Lösungsansatz bieten dazu Bussysteme und offene Kommunikationsprotokolle in der Gebäudeleittechnik. Die Systeme EIB/KNX, LON-Works und LCN sind zurzeit marktführend. Für den privaten Bereich ist das LCN-System eine kostengünstige Alternative, die auch für einfache Steuerungen einsetzbar ist. Mit einer Schulung der Firma LCN erhalten Lehrer und Schüler die fachlichen Kenntnisse, um diese Technik praxisbezogen einsetzen zu können.

Für die Planung solcher Anlagen ist eine hohe Fachkompetenz erforderlich, damit das Lastprofil des Kunden und das daraus resultierende Eigenverbrauchspotential erkannt werden kann. Ein qualifizierter Facharbeiter muss im Vorwege nicht nur die technische Realisierung planen, sondern dabei auch die Wirtschaftlichkeit berücksichtigen.

Die Berechnung dieser Wirtschaftlichkeit übernimmt die Klasse der Kaufmännischen Assistenten (BFSIII KA). Mit einem Kalkulationsprogramm erstellen die Schüler eine Übersichtstabelle in dem die Parameter Stromverbrauch, Stromerzeugung, Strompreis, Eigenstromanteil und die Finanzierung der Erzeugungsanlage berücksichtigt werden. Mit dieser Tabelle kann jeder Kunde die Wirtschaftlichkeit seiner dezentralen Erzeugungsanlage berechnen.

Wer seinen Verbrauch selbst steuern will, muss genaue Verbrauchsdaten haben. Die digitalen Zähler (Smart-Meter) erfassen den Energieverbrauch im Viertelstundentakt und machen ihn für den Kunden online abrufbar. Anbindung der Wirkstromzähler über den M-Bus, Einrichtung von Datenloggern und die dafür notwendige Installation der Medien (z. B. Cat7, W-LAN, D-LAN, Busleitungen) fällt in das Aufgabengebiet der Elektroniker für Geräte und Systeme (EGS). Die Schüler erstellen für das Smart-Metering die Infrastruktur zuerst für die Modellanlage und danach für das gesamte Schulzentrum Niebüll, um die Verbrauchsdaten überwachen zu können. Mit diesen Kommunikationsmöglichkeiten erstellen die Schüler des Beruflichen Gymnasiums, Schwerpunkt Datenverarbeitungstechnik, ein Online-Portal, um die Daten aufzuarbeiten und im Internet zu visualisieren. Die gespeicherten Daten können später für die Auswertung genutzt werden, indem die Schüler entsprechende Programme schreiben. Nach dem Test der Funktionalität ist mit diesen Erfahrungen eine Überwachung der Musterhäuser und der öffentlichen Gebäuden im Kreis Nordfriesland möglich. Für beide Klassen wurden die Grundlagen der Netzwerktechnik über die Cisco Online-Schulung CCNA (BS-Niebüll ist Cisco Netzwerkakademie) vermittelt.

Die Energieverteilung bei den Verbrauchern (z. B. Wärmepumpe, Waschmaschine, externer Batteriespeicher, Elektroauto) wird wiederum von den Elektronikern für Energie- und Gebäudetechnik übernommen. Damit jedes Betriebsmittel mit den Komponenten der Gebäudeleittechnik kommunizieren kann, erarbeiten die Schüler dafür individuelle Lösungen.

Nach dem Aufbau der Modellanlage beginnt dann die Auswahl der Musterhäuser nach einem vorher festgelegten Kriterienkatalog. Die Installation wird basierend auf den Ergebnissen der Modellanlage an der BS-Niebüll und den Erfahrungen der Netzwerkpartner SEA, EasyWind, eE4mobile und der Elektroinnung , durchgeführt. Dafür ist ein ständiger Austausch der Netzwerkpartner notwendig, um frühzeitig Probleme erkennen zu können. Für eine sinnvolle Smart-Home Anwendung ist nicht nur die technische Funktionalität wichtig, sondern auch die Akzeptanz der Bewohner. Die angebotsorientierte Steuerung der Verbraucher erfordert eine drastische Verhaltensänderung der Nutzer, die während der Testphase in Form eines Fragebogens erfasst wird.

Am Ende der Testphase werden die Ergebnisse zusammengefasst und ausgewertet, um ein Gesamtkonzept Smart-Home für die Region Nordfriesland mit allen Netzwerkpartnern zu entwickeln. Das Konzept wird dann abschließend in einer öffentlichen Präsentation vorgestellt.

Startdatum: 01.09.2011

Themenkreise

Energienutzung

Zielsetzung

Das Thema Klimawandel und die damit verbundenen Problemstellungen sind in den letzten Jahren immer mehr in das Bewusstsein der Bevölkerung gerückt. Zudem gewinnen Zukunftstechnologien durch die Verknappung der fossilen Brennstoffe immer mehr an Bedeutung. In allen Projekten wird der Schwerpunkt auf die Einbindung von jahrgangs-, fachbereichs- und schulartübergreifendem Unterricht gelegt, was aufgrund der unterschiedlichen Fachkompetenzen, welche die Schülerinnen und Schüler einbringen, zu Synergieeffekten führt. Das Zusammenwirken von fachlichem und fächerübergreifendem Lernen ermöglicht den Erwerb bzw. die Vertiefung von Lernkompetenzen. So werden beispielsweise durch das kooperative Lernen – von der Planung bis hin zur Präsentation der Ergebnisse - insbesondere die Teamfähigkeit und die Sozialkompetenz der Schülerinnen und Schüler gestärkt. Alle Schüler arbeiteten gemeinsam an einem bestimmten Projekt und müssen ihren Beitrag zum Gesamtprojekt leisten. In den Teilzeitklassen wird zudem der Dualpartner als Kooperationspartner mit eingebunden, um die Verzahnung zwischen schulischer und praktischer Ausbildung zu vertiefen.

Finanzierung

Dieses Projekt wird von der Aktivregion Norfriesland Nord mit 15000,- Euro unterstützt.

Erfolge

Juni 2012: 1. Preis beim Wettbewerb "Wind und Wir" November 2012: Innovationspreis Nordfriesland 1. Preis 2000,- Euro Dezember 2012: Zuwendungsbescheid Aktivregion Nordfriesland Nord über 15000,- Euro

Ideen zur Ausweitung

Es wird gemeinsam mit den Netzwerkpartnern ein Umsetzungskonzept für Nordfriesland erarbeitet. Ein Schwerpunkt ist dabei die aus- und Weiterbildung von Facharbeitern im Bereich intelligente Energieverteilung.

Berufliche Schule des Kreises NF in Niebüll
Uhlebüller Straße 15, 25899 Niebüll
Landkreis: Nordfriesland
Telefon: 04661-930-100
E-Mail: BS-Niebuell.Niebuell@schule.landsh.de
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